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引言：
　　電機(jī)調(diào)速實(shí)質(zhì)的探討，是關(guān)系到近代交流調(diào)速發(fā)展的重要理論問題,。隨著近代變頻調(diào)速矢量控制及直接轉(zhuǎn)矩控制等調(diào)速控制理論的提出和實(shí)踐,，很多有關(guān)文獻(xiàn)和論著都把調(diào)速的轉(zhuǎn)矩控制確認(rèn)為調(diào)速的普遍規(guī)律，并提出調(diào)速的實(shí)質(zhì)和關(guān)鍵在于電磁轉(zhuǎn)矩控制,。然而,，這種觀點(diǎn)尚缺乏理論和實(shí)踐的證明，值得商榷,。
　本文根據(jù)電機(jī)功率轉(zhuǎn)換的普遍原理,，提出并證明恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速的實(shí)質(zhì)在于電機(jī)的軸功率控制，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)是功率控制的響應(yīng),，其關(guān)鍵為如何通過電功率控制軸功率,。
一,、功率控制與轉(zhuǎn)矩控制
　根據(jù)機(jī)電能量轉(zhuǎn)換原理，凡電動(dòng)機(jī)都可劃分為主磁極和電樞兩個(gè)功能部分,。主磁極的作用是建立主磁場,，電樞則是與磁場相互作用將電磁功率轉(zhuǎn)換為軸功率。
　直流電動(dòng)機(jī)的主磁極和電樞不僅結(jié)構(gòu)鮮明,，而且功能獨(dú)立,，無疑符合以上定義。而交流（異步）電動(dòng)機(jī)通常以定子,、轉(zhuǎn)子劃分構(gòu)成,，需加說明。
　根據(jù)所述電樞定義,，異步機(jī)的軸功率產(chǎn)生于轉(zhuǎn)子,，因此，異步機(jī)真正的電樞是轉(zhuǎn)子,。問題在于定子,，一方面定子勵(lì)磁產(chǎn)生主磁場，故定子是主磁極,。另一方面,，定子又通過電磁感應(yīng)為電樞（轉(zhuǎn)子）輸送電磁功率，卻不產(chǎn)生軸功率,，因此定子又具有電樞的部分特征,，這里我們把它稱為偽電樞。定子的這種復(fù)合功能,，是異步機(jī)區(qū)別于直流機(jī)的主要特征。
　從電樞輸出角度觀察,，電動(dòng)機(jī)的軸功率與電磁轉(zhuǎn)矩機(jī)械轉(zhuǎn)速的關(guān)系為：
　?。蠱＝ＭΩ （１）
　　或 Ω＝ＰM／Ｍ （２）
　公式（２）除了給出了電機(jī)轉(zhuǎn)速與軸功率和電磁轉(zhuǎn)矩間的量值關(guān)系以外，同時(shí)表明,，電機(jī)轉(zhuǎn)速zui終只能通過軸功率或電磁轉(zhuǎn)矩兩種控制獲得調(diào)節(jié),，前者簡稱功率控制，后者簡稱轉(zhuǎn)矩控制,。
　?。? 功率控制
　功率控制是以軸功率ＰM為調(diào)速主控量， 作用對象必然是電樞或偽電樞,。電磁轉(zhuǎn)矩在調(diào)速穩(wěn)態(tài)時(shí),，取決于負(fù)載轉(zhuǎn)矩的大小。
　即 Ｍ＝Ｍfz （３）
　當(dāng)負(fù)載轉(zhuǎn)矩一經(jīng)為客觀工況所確定之后,，電磁轉(zhuǎn)矩就*地被決定了,，因此電磁轉(zhuǎn)矩不僅與調(diào)速控制無關(guān)，而且不能隨意改變其量值。
　電磁轉(zhuǎn)矩對轉(zhuǎn)速的作用表現(xiàn)在調(diào)速的過渡過程,，轉(zhuǎn)矩的變化是轉(zhuǎn)速響應(yīng)滯后的結(jié)果,，此時(shí)，功率控制造成電磁轉(zhuǎn)矩響應(yīng),。
　設(shè)電機(jī)調(diào)速前的穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速為Ω1,，軸功率為ＰM1，調(diào)速后的穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速為Ω2,，相應(yīng)的軸功率變?yōu)椋蠱2,。 由于電磁轉(zhuǎn)矩：
　　Ｍ＝ＰM／Ω （４）
　　故調(diào)速時(shí),，電磁轉(zhuǎn)矩變?yōu)椋?
　?。停剑蠱2／Ω
　　由于受慣性的作用，在ｔ＝0的調(diào)速瞬時(shí)Ω＝Ω1,，故
　?。停剑蠱2／Ω1
　　t=0
　此時(shí)的電磁轉(zhuǎn)矩將與原來的電磁轉(zhuǎn)矩Ｍ1＝ＰM1／Ω1不等，轉(zhuǎn)矩平衡被破壞并產(chǎn)生動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩,，電機(jī)轉(zhuǎn)速在動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩作用下開始由Ω1向Ω2過渡,，其變化規(guī)律為：
　　Ω1＝（Ω1－Ω2）ｅ－ｔ/T＋Ω2 （５）
　　電磁轉(zhuǎn)矩則為：Ｍ＝ＰM2／（Ω1－Ω2）ｅ－ｔ/T＋Ω2 
　隨著時(shí)間增大，動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩減小,，直至電磁轉(zhuǎn)矩與新的負(fù)載轉(zhuǎn)矩平衡,，即：
　　Ｍ＝ＰM2／Ω2＝Ｍfz,，
　轉(zhuǎn)速穩(wěn)定在Ω2不變,，電機(jī)調(diào)速結(jié)束。 上述的調(diào)速過程可以由圖１的框圖說明,。
 
　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
圖１ 功率控制的調(diào)速流程
　功率控制作用的是電樞,，主磁場或主磁通量保持不變，根據(jù)電機(jī)理論,，電機(jī)的額定電磁轉(zhuǎn)矩正比于主磁通量,，受限于電樞的zui大載流量。因此功率控制調(diào)速時(shí),，電機(jī)的額定電磁轉(zhuǎn)矩輸出能力不變,，屬于恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速。
２. 轉(zhuǎn)矩控制
　根據(jù)公式（２）,，電機(jī)轉(zhuǎn)速在軸輸出功率不變的前提下,，與電磁轉(zhuǎn)矩成反比。由于受電磁轉(zhuǎn)矩以額定轉(zhuǎn)矩為上限的約束,，轉(zhuǎn)矩控制實(shí)際上只能在額定轉(zhuǎn)矩以下實(shí)現(xiàn),，因此屬于恒功率調(diào)速,。
　電磁轉(zhuǎn)矩的獨(dú)立控制方法主要依據(jù)轉(zhuǎn)矩公式：
　　Ｍ＝ＣMΦmＩS （直流機(jī)） （６）
　　或 Ｍ＝ＣMΦmＩ2COSφ2 （交流機(jī)） （７）
　受控的物理量為主磁通Φm,，由于主磁通量Φm產(chǎn)生于主磁極,，因此轉(zhuǎn)矩控制實(shí)際上是磁場控制，作用對象為主磁極,。轉(zhuǎn)矩控制調(diào)速同樣要保證穩(wěn)態(tài)時(shí)的轉(zhuǎn)矩平衡,，即：
　　Ｍ＝Ｍfz
　由于調(diào)速穩(wěn)態(tài)時(shí),，電磁轉(zhuǎn)矩發(fā)生了變化,，因此要求負(fù)載轉(zhuǎn)矩適應(yīng)于電磁轉(zhuǎn)矩變化，即要求負(fù)載跟蹤電機(jī),。
　轉(zhuǎn)矩控制實(shí)際是弱磁調(diào)速,，主要用于額定轉(zhuǎn)速以上的調(diào)速。鑒于本文重點(diǎn)討論的是功率控制,，故不贅述,。
二、功率控制的方法與性能
　電機(jī)調(diào)速的軸功率控制只能通過電功率間接控制來實(shí)現(xiàn),。以異步機(jī)為例,，圖２是其等效三端口網(wǎng)絡(luò)。

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
圖２.異步機(jī)的等效網(wǎng)絡(luò)
　其中電樞（轉(zhuǎn)子）除產(chǎn)生軸功率輸出外,，還產(chǎn)生以感應(yīng)電壓ｕ2和電流ｉ2為參量的電功率響應(yīng),。由于該功率與轉(zhuǎn)差率成正比，故稱轉(zhuǎn)差功率,，其端口簡稱Ｐs口,。
　如果電機(jī)轉(zhuǎn)子為籠型，其繞組呈短路狀,，Ｐs口為封閉不可控的,。反之為繞線型，Ｐs口則是開啟可控的,， 轉(zhuǎn)子可以通過Ｐs口輸出或輸入電功率。由此可見,，異步機(jī)的功率控制調(diào)速有兩種方式,，一種是通過偽電樞間接對電樞實(shí)現(xiàn)軸功率控制；另一種是通過Ｐs口直接控制電樞軸功率,。 前者主要適用于籠型異步機(jī),，后者則適用于繞線型異步機(jī)。
　?。? 定子偽電樞功率控制,。

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
圖３.異步機(jī)定子功率控制調(diào)速
　作為偽電樞,，定子向電樞（轉(zhuǎn)子）傳輸?shù)碾姶殴β剩?
Ｐem＝Ｐ1－△Ｐ1 （８）
電樞的軸功率則為：
ＰM＝Ｐem－△Ｐ2 （９）
故 ＰM＝Ｐ1－（△Ｐ1＋△Ｐ2） （10）
　可見，控制偽電樞的輸入功率Ｐ1或增大其損耗△Ｐ1就可以控制電樞的軸功率,，后者顯然是低效率,、高損耗的調(diào)速，不宜推薦,。
　控制Ｐ1調(diào)速的*方法是調(diào)壓━━變頻,， 即所謂的變頻調(diào)速。由于：
Ｐ1＝ｍ1Ｕ1I1COSφ1 （11）
　故對于電壓源供電調(diào)節(jié)端電壓Ｕ1是控制功率Ｐ1的必須手段,。問題的關(guān)鍵是為什么不能單純調(diào)壓,，而必須輔以變頻？這是定子除了偽電樞的功能之外,，還同時(shí)兼主磁極之故,。
　　前已敘及，功率控制的要點(diǎn)有：
　?、?保持主磁通量不變
　?、?作用對象是電樞或偽電樞
　　③ 控制目標(biāo)是軸功率
　如果單純調(diào)壓而頻率不變,，定子的主磁極功能就要受到嚴(yán)重影響,。根據(jù)電機(jī)理論，做為主磁極,，定子的主磁通量：
Φm＝Ｅ／4.44Ｗ1ｋr1ｆ1
＝ＫＥ1／f1
≈ＫＵ1／f1 （12）
　恒頻調(diào)壓的結(jié)果,，主磁通Φm將隨Ｕ1下降而減小，形成了前述的轉(zhuǎn)矩控制,。更主要的是此時(shí)不但未能控制功率Ｐ1,，反而增大了電機(jī)損耗，與目的絕然相悖,。
　設(shè)負(fù)載為恒轉(zhuǎn)矩性質(zhì),，由轉(zhuǎn)矩平衡方程，電磁轉(zhuǎn)矩：
Ｍ＝Ｍfz＝const
又 Ｍ＝ＣMΦmＩ1COSφ1
＝ＣMΦmＩ2COSφ2 （13）
　設(shè)功率因數(shù)不變,，定轉(zhuǎn)子電流Ｉ1,、Ｉ2將隨主磁通Φm下降而正比增大，其結(jié)果功率Ｐ1不變,，但定轉(zhuǎn)子損耗：
△Ｐ1＝ｍ1Ｉ 12 r1
△Ｐ2＝ｍ2Ｉ 222 r1
　將按電流的平方律增大,。根據(jù)式（１０），軸功率控制雖能實(shí)現(xiàn),，卻屬低效率高損耗的調(diào)速,。
　為此，異步機(jī)定子的功率控制調(diào)速,，必須要將定子的主磁極和偽電樞兩種功能游離開,。針對同一定子繞組,，一方面使主磁極產(chǎn)生的磁場保持穩(wěn)定，同時(shí)又要控制其向電樞傳遞的電磁功率,。
　于是變頻調(diào)速建立了一條重要原則,，就是調(diào)壓變頻，且保證Ｖ／Ｆ（壓頻比）為常數(shù),，這樣就確保了上述控制要求的實(shí)現(xiàn),。順便指出，近代變頻調(diào)速的矢量控制,，實(shí)際上就是遵循這一原理,。矢量控制的核心思想，是把磁場與轉(zhuǎn)矩游離開,，分別加以控制,，認(rèn)為調(diào)速的根本在于轉(zhuǎn)矩，而事實(shí)上游離的卻是磁場和電磁功率,，雖然結(jié)果無誤,，但理論上必須加以澄清。
２. 轉(zhuǎn)子功率控制
　對于繞線轉(zhuǎn)子異步機(jī)的調(diào)速,，可以利用轉(zhuǎn)差功率端口━Ｐs口直接控制軸功率,。方法是由Ｐs口移出或注入轉(zhuǎn)差功率。需要指出：
　?、?所述的轉(zhuǎn)差功率應(yīng)區(qū)別經(jīng)典電機(jī)學(xué)中的轉(zhuǎn)子損耗轉(zhuǎn)差功率,，為此將后者稱為轉(zhuǎn)子損耗功率，記以△Ｐ2,。
　?、?轉(zhuǎn)差功率有電能與熱能之分，分別記以Ｐes和Ｐrs,，兩者性質(zhì)不同,，對調(diào)速的影響也不同。

圖４.異步機(jī)轉(zhuǎn)子功率控制調(diào)速
　當(dāng)在轉(zhuǎn)子的Ｐs口引入電轉(zhuǎn)差功率Ｐes時(shí),，轉(zhuǎn)子的軸功率：
ＰM＝（Ｐem±Ｐes）－△Ｐ2 （１４）
　式中的Pem為定子向轉(zhuǎn)子傳輸?shù)碾姶殴β?，電轉(zhuǎn)差功率的負(fù)號表示從Ｐs口移出，正號表示從Ｐs口注入,。Ｐes屬電功率,，故與電磁功率相合成，結(jié)果使軸功率ＰM發(fā)生變化,，電機(jī)轉(zhuǎn)速得到相應(yīng)調(diào)節(jié)。
　電轉(zhuǎn)差功率調(diào)速的典型實(shí)例是串級調(diào)速和雙饋調(diào)速,，前者的電轉(zhuǎn)差功率為負(fù),，流向?yàn)閺霓D(zhuǎn)子移出,，故實(shí)現(xiàn)的是額定轉(zhuǎn)速以下的調(diào)速。后者的電轉(zhuǎn)差功率可以雙向流動(dòng),，既可以移出,，又可以注入，因此可以實(shí)現(xiàn)低同步和超同步兩種調(diào)速,。
　當(dāng)Ｐs口引入的是熱轉(zhuǎn)差功率Ｐrs時(shí),， 轉(zhuǎn)子的軸功率則為：
ＰM＝Ｐem－（△Ｐ2＋Ｐrs） （１５）
　顯然熱轉(zhuǎn)差功率的引入，增大了電樞（轉(zhuǎn)子）的損耗,，軸功率隨Ｐrs的增大而減小,，其典型例子是異步機(jī)轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速。
三,、功率控制的理想空載轉(zhuǎn)速,，效率與機(jī)械特性
　根據(jù)電機(jī)學(xué)，電動(dòng)機(jī)的理想空載轉(zhuǎn)速主要取決于電樞的電磁功率,，因有：
Ω0＝Ｐem／Ｍ （１６）
　由于電磁轉(zhuǎn)矩為負(fù)載所決定,，理想空載轉(zhuǎn)速Ω0就決定于某一負(fù)載條件下電磁功率的大小。
　功率控制調(diào)速的電樞功率可以綜合表達(dá)為：
ＰM＝ΣＰem－Σｐ2 （１７）
　相應(yīng)的轉(zhuǎn)速：
ＰM／Ｍ＝ΣＰem／Ｍ－Σｐ2／Ｍ （１８）
Ω＝Ω0－△Ω （１９）
　其中Ω0＝ΣＰem／Ｍ為功率控制調(diào)速的理想空載轉(zhuǎn)速,，因此調(diào)節(jié)電樞的電磁功率可以改變電機(jī)的理想空載轉(zhuǎn)速,。換言之，電機(jī)的理想空載轉(zhuǎn)速取決于電樞的電磁功率,。又,，△Ω＝Σｐ2／Ｍ 為電機(jī)的轉(zhuǎn)速降。由此表明增大電樞損耗,，可以增加電機(jī)轉(zhuǎn)速降,。
　電機(jī)調(diào)速的效率表達(dá)為：
η＝ＰM／（Ｐ1－Σｐi）
＝ＰM／（Ｐem－△Ｐ2）
　因此，在一定的軸功率ＰM輸出條件下,，控制電磁功率的調(diào)速是率的節(jié)能型調(diào)速,，而控制損耗功率的調(diào)速必然是低效率的耗能型調(diào)速。
　公式（１８）同時(shí)刻畫出了功率控制調(diào)速的機(jī)械特性,，當(dāng)連續(xù)改變電磁功率ΣＰem時(shí),，如果損耗功率不變，電機(jī)的理想空載轉(zhuǎn)速隨ΣＰem連續(xù)變化,，其機(jī)械特性為一族平行的曲線,。而增大損耗，電磁功率不變時(shí),，電機(jī)理想空載轉(zhuǎn)速不變,，改變的只是轉(zhuǎn)速降，其機(jī)械特性為一族匯交型曲線,。如圖５給出了兩種調(diào)速的定性曲線,。

圖５ ａ.電磁功率調(diào)速特性                          ｂ.轉(zhuǎn)速降調(diào)速特性
　綜上所述,，可以得出以下結(jié)論：
　　① 電磁功率控制調(diào)節(jié)的是理想空載轉(zhuǎn)速,，損耗功率控制調(diào)節(jié)的是轉(zhuǎn)速降,。
　　② 電磁功率控制是率節(jié)能型的調(diào)速,，其機(jī)械特性必為平行曲線族,。損耗功率控制屬低效率耗能調(diào)速，其機(jī)械特性必為匯交型曲線族,。
四,、異步機(jī)調(diào)速的分類與方法
　與按n＝ 60f1/p·（1-S）表達(dá)式不同，根據(jù)本文所述的電機(jī)調(diào)速功率控制理論,，異步機(jī)調(diào)速可分類表示如下：
　
　　　　　　　　　　　　性質(zhì)/方案 控制點(diǎn)/變量 方法 要點(diǎn)
五,、結(jié)論
　　1. 電機(jī)調(diào)速的基本原理有兩種，一為軸功率控制,，二是轉(zhuǎn)矩控制,。轉(zhuǎn)矩控制實(shí)際是磁場控制，適于恒功率調(diào)整,。
    2.軸功率控制的作用對象是電樞或偽電樞,， 并zui終只能通過電功率控制來實(shí)現(xiàn)。其中,，電磁功率調(diào)節(jié)的是理想空載轉(zhuǎn)速,，損耗功率改變的是轉(zhuǎn)速降。前者為節(jié)能型,，后者為低效耗能型,，兩者的機(jī)械特性亦由此決定。
    3. 軸功率控制的調(diào)速具有恒轉(zhuǎn)矩特性,，電磁轉(zhuǎn)矩的變化是轉(zhuǎn)速響應(yīng)滯后所造成的,，調(diào)速穩(wěn)態(tài)時(shí)，電磁轉(zhuǎn)矩只決定于負(fù)載,，與控制無關(guān),。
    4.變頻調(diào)速和電轉(zhuǎn)差功率控制調(diào)速同屬電磁功率控制調(diào)速，兩者性能一致,，并無本質(zhì)差別,。